研究證明植物基因組中的重複基因如何使作物開發者的計劃變得複雜

當植物遺傳學家發現一種能提高作物產量的基因時,他們想嘗試將同樣的變化植入其他作物中。但冷泉港實驗室教授和HHMI研究員Zachary Lippman警告說,僅僅知道一個基因的作用是不夠的。他發現,了解基因組中可能潛伏着哪些其他密切相關的基因來阻止希望的改進是值得的。

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在《自然-植物》雜誌報道的研究中,Lippman及其同事證明了植物基因組中的重複基因如何使作物開發者的計劃變得複雜。基因重複在植物中很常見。許多人充當了原始基因的“後備副本”。但是基於他的團隊的驚人發現,Lippman說,擁有一個偉大的基因編輯候選者並不足以預測計劃中的變化結果。“在重複基因的背景下,缺乏可預測性確實需要成為設計作物改良的眼界。”

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該小組研究了基因clv3。這個基因產生一種蛋白質,限制發育中的植物組織的生長。clv3的突變導致了許多植物的高產。例如,在西紅柿中,clv3的突變與具有更多種子部分的更大果實有關。Lippman的團隊在番茄、煙草、地櫻桃和牽牛花植物中引入了同等的clv3基因突變。所有這四種植物都是茄科植物的成員。Lippman和他的同事預計會看到類似的結果,但他所發現的卻很有趣。

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在煙草中,這種影響是戲劇性的,某些生長區域的大小翻了一番。這種變化是由於該植物失去了clv3備用基因。在番茄中,複製的基因部分緩衝了clv3的突變,所以影響比較溫和。在地櫻桃和牽牛花中,突變clv3的影響很小。這兩種植物都有類似clv3的基因,可以補償研究人員對clv3基因的改變。

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對Lippman來說,這個教訓是,通過基因組編輯優化作物可能需要對重複的基因進行清點。作物開發者需要了解重要基因是如何在進化過程中被複制、刪除和改變的。這使科學家們能夠開發出更多可預測的作物改良方法。

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